냉각탑 부식 제어를 위한 효과적인 전략

냉각탑은 효과적인 열 배출 방법을 제공하며 공간 조절, 냉동, 산업 냉각 응용 분야에 널리 사용됩니다. 냉각수 시스템의 부식 제어는 전 세계 많은 산업의 주요 과제입니다.

냉각수 회로에서 부식과 스케일링 문제는 새로운 것이 아니지만, 환경 법규의 지속적인 추세로 인해 증발도가 점점 높아지고 결과적으로 다양한 물질의 잔류 농도가 매우 높아지고 있습니다. 따라서 사용되는 물이 처음에 깨끗하고 비부식성이라 해도, 이 농축 효과로 인해 부식성이 생기고 스케일링과 바이오파울링 유발 경향이 증가합니다.

이 글에서는 냉각탑, 이들이 직면하는 가장 일반적인 부식 문제, 그리고 이를 예방하는 방법을 살펴보겠습니다.

냉각탑 회로 유형

폐쇄 회로에서는 모든 냉각수가 폐쇄 루프 내에 갇혀 있습니다. 대기와 접촉이 없으므로 대기 오염 위험이 없습니다. 열은 1차 회로 물의 직접적인 증발이 아닌 2차 회로를 통한 전도와 대류에 의해 제거됩니다. 폐쇄 회로는 소규모 플랜트, 고유량 시스템, 냉동 장치(빙수 탱크)가 있는 시스템에서만 사용할 수 있습니다.

그림 1: 폐쇄 순환 냉각 시스템
출처: Control of Corrosion in Cooling Waters, edited by J.D. Harston and F. Ropital

그림 2에 표시된 개방 순환 냉각 시스템이 가장 널리 사용됩니다. 반폐쇄 회로는 급수 공급에 의해 공급됩니다. 순환 수량은 펌프에 의해 일정하게 유지됩니다. 물은 열교환기에서 뜨거운 공정 유체에 의해 가열됩니다. 뜨거운 물은 냉각탑에서 공기와 직접 접촉하며, 이 접촉과 잠열 증발 손실에 의해 냉각됩니다.

그림 2: 개방 순환 냉각 시스템
출처: Control of Corrosion in Cooling Waters, edited by J.D. Harston and F. Ropital

미처리 물 사용으로 인한 문제

냉각수 회로에서 세 가지 주요 문제 유형은 스케일링, 부식, 파울링입니다. 이 문제들은 강력하게 상호 연관되어 있으며, 그중 하나를 처리하기 위한 시정 조치는 종종 다른 것들에 영향을 미칩니다.

스케일링

금속 또는 기타 표면이 부착성 미네랄 퇴적물로 덮일 때 스케일링이 발생한다고 간주됩니다. 액체로부터 고체 입자의 침전에 의해 생성된 퇴적물과 구별되는 특징은 스케일이 표면에 부착된다는 사실입니다. 스케일 퇴적물은 부유 고체의 포착을 증가시킬 수 있습니다.

급수 냉각 회로에서 스케일링은 본질적으로 탄산칼슘의 형성 때문입니다. 스케일은 이후 점토, 조류 잔류물, 황산칼슘과 같은 다른 물질을 포함할 수 있지만, 용해도가 낮기 때문에 항상 탄산칼슘이 먼저 침전됩니다.

부식

금속의 수계 부식은 전기화학적 성격을 가지며 두 개의 독립적인 반응을 포함합니다. 첫 번째 반응은 금속의 산화에 해당합니다. 두 번째 반응은 부식 매질의 어떤 종의 환원입니다. 금속 산화 반응은 양극성이며 양전하 금속 이온을 용액으로, 전자를 금속으로 방출합니다:

(M)_금속 → (Mⁿ⁺)_용액 + ne^-

이후 금속에서 방출된 전자는 부식 매질의 산화제를 환원시키는 음극 반응에서 사용됩니다:

(Ox^+q)_용액 + (ne^-)_금속 → (Red^q-n)_용액

매질과 관련 물질에 따라 다양한 부식 모드가 발생할 수 있습니다. 강철 합금의 가장 일반적인 부식 모드는 균일 부식, 점식 부식, 틈새 부식, 입계 부식입니다. 구리 합금의 경우 부식 모드에는 탈아연화와 Al 또는 Ni 고갈이 포함될 수 있습니다.

미생물에 의한 부식 파울링

미생물은 모든 물에 자연적으로 존재합니다. 너무 빠르게 증식하면 수로에서 두 가지 유형의 문제를 일으킬 수 있습니다:

• 바이오파울링, 장비 표면에 미생물 군집이 축적되어 바이오필름 형성을 초래하는 현상.
• 바이오부식, 미생물에 의한 화학적 공격. 금속의 경우 부식은 일반적으로 박테리아에 의해 발생합니다.

두 경우 모두 미생물 증식의 결과는 열교환기 효율 저하, 배관 폐색, 배압 증가, 심지어 관통 부식에 의한 누출까지 중요할 수 있습니다.

수회로 처리

상류 급수 처리의 목적은 원수의 특성을 수정하여 관련 회로의 요구 사항을 충족시키는 것입니다. 급수 처리와 관계없이 냉각수의 물을 조정하기 위해 화학 약품을 추가하는 것은 여전히 필요합니다. 이는 특정 현장 조절이 채택된 처리 철학의 성공을 보장하기 위해 필요하기 때문입니다. 일반적인 화학 제품은 스케일 억제제 및 분산제, 부식 억제제, 살생물제입니다.

스케일 억제 및/또는 분산제 처리 – 안정화

이 공정에서는 첨가제를 회로에 주입하여 특히 뜨거운 지점에서 탄산칼슘 침전을 방지합니다. 이 제품들은 용해도 한계를 높이거나 물을 과포화 상태로 유지합니다. 따라서 회로가 더 높은 농도 비율로 작동할 수 있게 합니다.

주요 메커니즘은 다음과 같습니다:

• 칼슘 및 마그네슘 이온과 안정적인 분자 형성을 위한 격리/착물화
• 결정 핵 독살
• 결정 성장 억제
• 핵 생성 입자를 용해도 한계 근처의 분산 상태로 유지하는 분산 효과

안정화 처리는 "자유 pH"에서 작동할 수 있게 해주므로 매우 인기가 있습니다.

pH는 CO₂에 의해 제어되며, 물과 대기 사이의 용해도 평형에 의해 결정되고, M-알칼리도 수준(MA)의 간단한 함수가 됩니다.

pH 제어

CaCO₃의 용해도 한계는 pH에 민감하며, 이는 탄산염 이온 농도에 직접 영향을 미칩니다. CaCO₃ 침전을 방지하기 위해 산을 회로에 주입하여 pH를 낮춥니다. 보통 황산이 이 목적으로 선택됩니다.

사실, 산 추가는 두 가지 효과가 있습니다: HCO₃⁻ 이온을 중화하여 CO₂를 형성함으로써 MA 수준을 감소시킵니다. 또한 CO₂가 탈기에 의해 회로에서 제거되는 것보다 더 빠르게 생성되면 pH를 낮춥니다.

부식 억제 처리

부식 억제제를 회로에 첨가하면 열전달을 방해하지 않는 얇은 흡착 피막이 형성됩니다. 이 억제제는 양극 및 음극 부식 반응을 모두 방해하기 위해 두 가지 활성제를 포함합니다.

양극 억제제

양극 억제제는 양극 분극을 증가시키고 부식 전위를 음극 방향으로 이동시킵니다. 이 물질들은 금속 부식 생성물과 결합하여 완전히 불용성인 염을 형성합니다. 억제가 순수하게 양극성이라면 많은 양의 억제제가 필요합니다. 이는 매우 작은 부피의 회로에서만 실용적이며, 억제제 결핍은 가속화된 국부적 공격을 초래할 수 있습니다.

음극 억제제

음극 억제제는 전기화학적 부식 전지의 환원 반응 속도를 늦춰 부식을 감소시킵니다. 이 물질들은 음극 부식 반응의 생성물과 결합하여 다시 불용성 화합물을 형성합니다. 음극 억제제는 국부적 부식이 농도 저하에 의해 유도되지 않으므로 양극 억제제보다 위험이 낮습니다.

유기 억제제

유기 억제제의 효과는 노출된 표면에서 전기화학적 반응을 방해하는 연속적인 흡착 피막의 형성과 관련이 있습니다. 이 피막은 극성 유기 분자가 금속 표면에 물리적 또는 화학적으로 흡착되어 형성되므로, 분자의 선택은 관련 금속에 따라 달라집니다.

처리 구현

조절 처리가 정의되면 현장의 특정 특징에 따라 구현됩니다. 폐쇄 회로의 경우 조절 제품이 시동 시 주입됩니다. 우발적 배수 시를 제외하고 추가 첨가가 필요하지 않습니다.

개방 순환 수계 시스템에서는 비산화성 살생물제를 제외한 시약이 펌프를 통해 급수 저수지에 주기적으로 주입됩니다. 드물게 중력 주입이 사용됩니다. 특정 중요한 열교환기에서 추가 지점 처리가 때때로 필요할 수 있습니다.

최근에는 실시간 부식 모니터링 시스템이 일반적인 부식률을 평가하고 국부적 또는 점식 부식 가능성을 평가하는 데 사용됩니다. 이 시스템들은 전기화학적 잡음(ECN), 저주파 임피던스(LFI), 고조파 왜곡 분석(HDA) 등 기술의 조합을 사용합니다.